大连化物所等利用穆斯堡尔谱技术助力火星表面氯氧化物形成与环境效应研究

近日，中国科学院大连化学物理研究所能源研究技术平台穆斯堡尔谱研究组研究员王军虎团队与中科院地球化学研究所月球与行星科学研究中心副研究员赵宇鴳团队合作，并联合国内外物理化学和行星科学领域学者，通过模拟火星实验和穆斯堡尔谱表征研究，揭示了次生铁矿物对火星氯氧化物形成及其环境宜居性的重要影响。

科学家对火星就位探测和陨石分析发现，火星表面普遍存在氯氧化物（ClO_x^–）。高氯酸盐（ClO₄^–，Cl为+7价）和氯酸盐（ClO₃^–，Cl为+5价）是氯氧化物的两种稳定形态。氯氧化物可以使水在-70°C依然保持液态，参与火星表面的氧化还原过程，还可作为某些微生物的能量来源等。弄清火星上氯氧化物的主要形态、分布特征和环境效应，对火星土壤-大气界面的氯循环以及火星有机物探测、未来载人探火的危害评估和就位资源利用等具有重要意义。

联合团队对ClO₄^–和ClO₃^–生成比的控制因素开展了实验研究。研究着重考察了纯氯化钠、氯化钠与铁硫酸盐、铁（氢）氧化物及含铁黏土的混合物，在紫外+地球大气、紫外+纯二氧化碳大气和臭氧氧化下的氯氧化物产物特征。实验结果表明，与不同类型铁次生矿物混合时，ClO₃^–/ClO₄^–生成比具有明显差异。在紫外和臭氧作用下，当氯盐与铁硫酸盐和含铁黏土混合，氧化产物以ClO₄^–为主；当纯氯盐或氯盐与铁（氢）氧化物混合，氧化产物以ClO₃^–为主。臭氧与紫外条件下的结果基本一致。穆斯堡尔谱表征结果显示，四方纤铁矿（FeO(OH,Cl)）在紫外+地球大气和臭氧氧化后，分解形成包含四方纤铁矿、针铁矿、赤铁矿和一种铁氢氧化物过渡相；所释放的氯离子（Cl^–）在这些铁矿物组合的氧化催化作用下，可被进一步氧化形成以ClO₃^–主的氯氧化物。

研究表明，火星干旱气候及广泛分布铁（氢）氧化物，使火星表面产生高出ClO₄^–多个数量级的ClO₃^–，从而凸显出氯酸盐在现代火星表面环境和宜居性讨论中的重要性。

相关研究成果以Preferential Formation of Chlorate over Perchlorate on Mars Controlled by Iron Mineralogy为题，发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项（B类）“类地行星的形成演化及其宜居性”、国家自然科学基金、民用航空航天技术预研项目、中科院国际伙伴计划等的资助。

论文链接

ClO₄^–或ClO₃^–在火星不同环境中生成的主导特征